Dr. Alfredo Curbelo. Cubaenergía.

Procesos termoquímicos.La partícula.El reactor.Aplicaciones.

Procesos basados en reacciones químicas que ocurren alta temperatura y que permiten transformar la energía química de materiales de base carbonosa en diferentes formas: COMBUSTION En energía térmica. PIROLISIS. En solido, liquido o gas GASIFICACION En gas. Material de base carbonosa de origen vegetal. Procesos termoquímicos de conversión de biomasa.

REACCIONES BÁSICAS Heterogéneas Homogéneas COMBUSTIÓN COMPLETA/INCOMPLETA C½O2CO ½O2 CO2 Y H 2 O b CO

H2OH2O H2H2 H2H2 Reacciones heterogéneas Reacciones homogéneas

iluminación del puente de Westminster con luces de gas. Londres y Westminster Gas Light y Coca- Cola Company primera compañía de gas manufacturado en los Estados Unidos para iluminación y cocción de alimentos. Gas Light Company de Baltimore primeras obras de gas de Alemania en Hannover había 340 fábricas de gas en Alemania a partir de carbón, madera, turba y otros materiales. 1870

Pirolisis: Proceso de destrucción térmica de moléculas carbonosas en ausencia de oxigeno. Se utilizo para la producción de metanol, fenol, ácido carboxílico y furfural antes de la petroquímica. Reacciones de Combustión: Agente oxidante (O2). Reacciones de Gasificación: Agente reductor (CO2, H2O,…) + Calor.

Gases no condensables H2, CO, CO2,CH 4 C m H n Gases Condensables H2O Metanol, Acido acético, fenoles, bencenos, etc. Carbón. Residuo carbonoso con alta relación C/H. MATERIAL CARBONOSO

Biomasa Reacción 1 (Volátiles + Gases) 1 Reacción 2 (Char) 1 Reacción 3 (Volátiles + Gases) 2 + (Char) 2 C. A. KOUFOPANOS Pirolisis primaria. Descomposición térmica de la C, HC y L Depende de la Temperatura Pirolisis secundaria. Interacción con el char Depende de: la temperatura, el tiempo de permanencia del tar en la partícula.

TEMPERATURA ComponenteBajaMediaAlta Celulosa (30 – 40%) (< 300 o C)( o C)( o C) Carbón Gases (CO, CO2, H20) Resinas (tar) Líquidos orgánicos Predominio hidrocarburos ligeros Hemicelulosa (25 – 39%) ( o C) Gases Resinas carbón Lignina (12 – 30%) (< 300 o C)( o C)( o C) Carbón Resinas (metanol, acido acético, acetona, fenoles, …). Gases.

Biomasa húmeda Agente de gasificación Medio de gasificación: Agente oxidante + Agente reductor? (H 2 O, CO 2 ) Ceniza/Char Gas. REACTOR Fase solida Fase gaseosa

Una partícula (fase solida) Fase gaseosa: mezcla de gases intercambio de calor Intercambio de masa SECADO Partícula Húmeda PIROLISIS Partícula seca REDUCCION Carbón. OXIDACION. Carbón H2OH2O CO 2, H 2 O H 2, CO, CO 2,CH 4, C m H n, H 2 O, TAR CO, H 2, CH 4 O2O2 CO,CO 2 Agente Gasificante

+ carbónbiomasa Frente de pirolisis Superficie de la partícula Flujo de calor Conducción Flujo de gas y tar Fluido en medio poroso Flujo de calor λ hThT Δ T Flujo de gas y tar D ef p hmhm Δ C j R CO2, H2O CO, H 2, CH 4 gasificación pirolisis

Modelos: – Diámetro decreciente (shrinkage). – Diámetro fijo + EsféricaCilíndricaPlana + R R l h a S/V= 3/RS/V= 2/R *(1+R/l)S/V=1/h * (1+h/l) l

Cama fija: Flujo paralelo (downdraft): Extremo abierto. Extremo cerrado. Flujo contracorriente (updraft) Lecho Fluidizado: Burbujeante. Circulante. Análisis de: Relación entre flujo de fase solida y gaseosa. Condiciones de intercambio de calor y masa entre las fases.

Fase gaseosa Flujo de gas Fase solida: partículas de biomasa. Movimiento del paquete de partículas. Flujo del agente fluidizante burbujas inertes CAMA FIJALECHO FLUIDIZADO hT y hM : bajos T fg y C i, varían a lo largo del reactor hT y hM : altos T fg y C i, constantes

Lecho fijo: Flujo a Contracorriente. Flujos Paralelo: Extremo abierto. Extremo cerrado. Flujo cruzado. Lecho Fluidizado: Burbujeante.Circulante.Arrastre.

REACTORES LECHO FIJO Flujos paralelos

Fases del estado agregativo: Burbuja. Gaseosa. Solida REACTORES LECHO FLUIDIZADO F LUIDODINAMICA

LECHO BURBUJEANTE LECHO CIRCULANTE REACTORES LECHO FLUIDIZADO

TipoVentajaDesventaja Updraft  Biomasa alta humedad.  No carbón en las cenizas.  Alto contenido de resinas.  Limitaciones en el escalado.  Bajo poder calórico del gas. Downdraft.  Aplicaciones de pequeña escala.  No pequeñas partículas.  Poca resina y partículas en el gas.  Tamaño y forma de las partículas.  Sensible a la humedad.  Limitaciones en el escalado.  Bajo poder calórico del gas. LF burbujeante  Aplicaciones de gran escala.  Poco sensible a forma de partículas.  Gas de alto poder calórico.  Compactos en tamaño,  Contenido medio de resinas.  Operación compleja. LF circulante  Aplicaciones de gran escala.  Gas de alto poder calórico-.  Compactos en tamaño.  Contenido medio de resinas.  Limitado rango de tamaño de partículas.

Composición: 11 – 30% CO: 5 – 20 % H2: 1 – 3% CH4: 10 – 15% CO2: 55 – 60% N2: 4 – 7 MJ/m 3 Poder Calórico: Equivalencia por poder calórico GLP7.8m3 de gas madera/kg de GLP metano8.5m3 de gas madera/m3 de gas biogas5.1m3 de gas madera/m3 de gas

Equipo primario EquipoCalidad del gas Tipo de gasificadorSistema tratamiento gas Quemadores Maquinas térmicas Combustión Interna Motores diesel Motores gasolina alta Flujo paralelo Enfriar, separar resinas y sólidos Turbinas de gas. Turbinamuy alta Flujo paralelo Muy complejo

Equipos primarios Quemadores Maquinas térmicas De mezcla Motor dieselMotor de gasolinaMotor de gasTurbina de gas De mezcla previaCámara Torsional

Gas + Resinas+ Partículas Gas limpio USO FINAL Cenizas REACTOR LIMPIEZA DE GASES TRATAMIENTO DE AGUA QUEMADOR DE GAS MOTOR COMB INTERNA ALMACENAMIENTO Y PREPARACIÓN DE LA BIOMASA

Calderas de vapor. Hornos de la industria de materiales de la construcción. Cocción de alimentos. A. Sustitución del uso de combustibles convencionales en: Cáscara de arroz. Residuos aserraderos. B. Aprovechamiento energético de residuos agroindustriales Conectadas a la red eléctrica. Electrificación de comunidades aisladas C. Plantas eléctricas

Universo potencial Calderas de vapor y agua caliente que utilicen diesel oil o fuel oil como combustible. Tipo tubo de fuego o tubos de agua. Solución tecnológica Integración con gasificador updraft. Combustible: Astillas de madera con un índice de sustitución de 3,3 kg de madera/ kg de combustible. Nota: diferenciar solución según estado técnico de la caldera

Universo potencial aproximado de hornos de la Industria de Materiales de la Construcción Hornos de Cerámica Blanca y Roja que incluyen de llama invertida, gaveta y Hoffman Solución tecnológica: Cambio de quemadores de fuel oíl a gas que se alimenta de una planta de gasificación de biomasa con gasificador downdraft y limpieza de gases simplificado Combustible: Astillas de madera con un índice de sustitución de 3,8 kg de madera/ kg de combustible.

PLANTA DE GAS HORNO DE CERAMICA ROJA

Universo aplicación: Comunidades rurales con fuentes de biomasa sostenible. Solución tecnológica: Planta de gasificación de biomasa que suministra gas a una red de distribución local. Combustible: Biomasa producida localmente.

1. Feeder 2. Gasifier 3. Water scrubber 4. Filter 5. Separator 6. Venturi scrubber 7. Blower 8. Tar collection tank 9. Water sealing tank 10. Gas Tank 11. Flame arrester 12. Pipe net.

Universo potencial de instalaciones: instalaciones para el secado y molinado de arroz Efecto: sustituir el consumo de de diesel. Autoabastecerse en electricidad y vender excedente Solución tecnológica: Planta de gasificación de cascara de arroz con gasificador downdraft que suministra gas al: quemador del secador de biomasa y al generador eléctrico con motor de gas. Índice de consumo: 1.7 kg de cascara de arroz/kWh generado.

Universo potencial aproximado en aserraderos: Aserraderos de madera, carpinterías, etc. Se produce entre 45 % y 50 % de residuos de la materia prima que se procesa. Solución tecnológica: Planta eléctrica por gasificación de biomasa con índice de generación de 1.5 kg de residuos al 20% de humedad/kWh generado. Potencia a instalar: entre 50 kW y 3 MW Combustible: Residuos de aserraderos compactados en forma de briquetas.

Universo potencial : Viviendas no conectadas al SEN Solución tecnológica: Planta eléctrica con gasificador de biomasa downdraft. Combustible: Comunidades con biomasa disponible localmente. Biomasa procesada en forma de astillas de madera.

1. Planta Eléctrica de Gasificación de Biomasa en Cocodrilo. Propósito: suministro de electricidad a comunidad aislada. Potencia 50 KW. Generación Dual: diesel–gas. Combustible: biomasa forestal procedente del manejo de un área protegida. Instalado: Proyecto GEF/ONUDI. Año de puesta en marcha: Planta Eléctrica de gasificación de biomasa en el aserradero “El Brujo”. Propósito: Entrega de electricidad a la red. Potencia: 40 kW. Generación: gas. Combustible: residuos de aserradero. Instalado: Proyecto Biomass. Año de puesta en marcha: 2012.

3. Planta Eléctrica de gasificación de biomasa en “Estación Experimental Indio Hatuey”. Propósito: Demostrativa. Potencia: 20 kW. Generación: gas. Combustible: variado. Instalado: Proyecto Biomass. Año de puesta en marcha: Planta Eléctrica de gasificación de biomasa “La Melvis”. Propósito: Entrega de electricidad a la red. Potencia: 500 kW. Generación: gas. Combustible: biomasa forestal. Instalado: Proyecto GEF/ONUDI. Año de puesta en marcha: 2014.

5. Caldera acoplada a gasificador de biomasa en la Empresa de la Industria Alimentaria de la Isla de la Juventud. Propósito: sustituir el uso del combustible diesel en la producción de vapor. Capacidad de la caldera: 3 ton/h de vapor. Combustible: biomasa forestal. Instalado: proyecto GEF/ONUDI. Fecha puesta en marcha: está contratada y se planifica su puesta en marcha en Instalaciones de gasificación de biomasa previstas en el corto mediano plazo: En la industria del arroz: 4 plantas de gasificación de cáscara de arroz con potencias entre 50 kW y 300 kW. En la industria forestal: 2 plantas con potencias de 500kW y 1000 MW a partir del procesamiento de los residuos de los aserraderos.

CONCLUSIONES Los resultados de la gasificación de la biomasa se describen por medio de los procesos de conversión termoquímicos: combustión, pirolisis y gasificación. Existe un amplio numero de aplicaciones que incluyen el cambio de combustible en instalaciones existentes y nuevas para la producción de calor o electricidad o ambas. El diseño de las soluciones tecnológicas debe basarse en los requerimientos en calidad y cantidad de gas a producir y en el tipo de biomasa disponible.